JP2003293159A - 超微粒子の成膜方法およびその成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜の成長速度の速く、欠陥部分の少ない均一
な膜を形成できる超微粒子の成膜方法およびその装置を
提供する。 【解決手段】 エアロゾル形成室１３内の超微粒子に超
音波を印加する、もしくは加熱することで超微粒子の凝
集を抑制してエアロゾル化を促進する。さらには搬送管
１４に内壁を研磨した金属や石英の屈曲部分がなく、内
壁に凹凸のない直筒状の硬い材質の管を使用する。エア
ロゾル化した超微粒子が搬送管１４内に付着することを
抑制し、基板１８まで到達する超微粒子の量を多くし、
また基板１８に到達し付着する凝集粉の量を減らす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックスや金
属の超微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、微粒
子を基板に衝突させることによって基板上に膜を成長さ
せるための成膜方法およびその装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスデポジション法は、例えば、
特許第１６６０７９９号に記されている超微粒子を用い
た膜形成法であって、真空蒸着法と同様に金属加熱源お
よび真空容器を配置させ、金属蒸気から微粒子を形成
し、この微粒子からなる膜を形成する方法である。

【０００３】一方、セラミックス材料の超微粒子を用い
た膜形成も提案されている。このような方法によるセラ
ミックス膜の成膜方法は例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９９７）１１５９．にエアロゾ
ル化したジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）粉をＰｔ膜を
付けたＳｉ基板上に衝突させて、ＰＺＴ膜を形成した結
果が示されており、７５０℃の熱処理を行うことで強誘
電体特性や圧電特性が測定され圧電膜としての機能する
ことが示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特に一
次粒子径が数μｍ以下の小さい超微粒子はお互いにファ
ンデルワールス力、静電引力または水分の架橋効果によ
り凝集し、数十〜数百μｍの凝集粉を形成している。凝
集粉は一次粒子に比べて質量が大きいため、ガスの供給
や振動を与えることで浮遊させることが困難であり、エ
アロゾル形成室内で超微粒子とガスとの攪拌が進行せず
形成されたエアロゾル中の超微粒子の濃度が低くなって
いた。このため、エアロゾル形成室から搬送管およびノ
ズルを経由して、基板へ衝突する単位時間あたりの超微
粒子の量が少なく、膜の成長速度が遅くなるといった問
題があった。

【０００５】また、凝集粉はエアロゾル化した場合で
も、その多くはエアロゾル中で一次粒子へと解砕されず
に凝集粉のまま基板に衝突する。凝集粉は質量が大きい
ため、十分に加速されず、基板へ衝突するときの運動エ
ネルギーが小さく、基板や他の粒子との強固な密着性が
得られず、緻密な膜を形成せずに基板上に付着してしま
う。成膜した膜上に付着した凝集粉は容易に欠落するた
め、膜上に欠陥部分ができてしまい、均一な膜を作製す
ることが困難であった。

【０００６】一方、エアロゾル形成室で形成したエアロ
ゾルを成膜室へ搬送するために、フッ素樹脂チューブや
ポリアミド系樹脂チューブの可撓性を有する軟らかい材
質の搬送管を使用した場合、超微粒子が基板へと搬送さ
れる途中で、特に搬送管の屈曲部分で搬送管内壁に衝突
することによって内壁に超微粒子がくい込み、容易に堆
積してしまう。また、内壁を研磨していないステンレス
管を使用した場合、エアロゾル中の超微粒子が内壁の凹
凸により内壁上に容易に堆積してしまう。そのため、ノ
ズルから噴出して基板に衝突する微粒子の濃度が低くな
り、エアロゾル形成室から搬送管およびノズルを経由し
て、基板へ衝突する単位時間あたりの超微粒子の量が少
なく、膜の成長速度が遅くなるといった問題があった。
また、搬送管の内壁上に一時付着して凝集した超微粒子
が再びエアロゾル化することで、ノズルから噴出して膜
上に付着し、膜上に欠陥部分ができてしまい、均一な膜
の作製を困難にしていた。本発明は、上記従来の微粒子
の成膜装置および成膜方法の課題を解決するもので、膜
の成長速度が速く、欠陥部分の少ない均一な膜を形成す
ることが可能な成膜方法および成膜装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、エアロゾル形成室内に超音波を印加するた
めの装置を設置し、超微粒子をエアロゾル化させるとき
に、超微粒子に超音波を印加する。超音波の振動によ
り、質量の大きい凝集した超微粒子は解砕されて、これ
により、超微粒子とガスの攪拌を促進し、超微粒子のう
ち質量の小さい一次粒子もしくはエアロゾル中で一次粒
子となりやすい凝集粉がエアロゾル化し、基板へ衝突す
ることで膜上に欠陥部分をつくることを抑制でき、均一
な膜の作製が可能であり、また、膜の成長速度の速い成
膜方法およびその装置を提供することができる。

【０００８】また、成膜前の準備としてエアロゾル形成
室内に超微粒子を投入する前に、超微粒子を１００℃か
ら２００℃の高温で１時間以上加熱しておき、十分に乾
燥した超微粒子を成膜に使う。さらには、エアロゾル形
成室に加熱源を設置し、６０℃以上２００℃以下、好ま
しくは８０℃以上且つ２００℃以下、より望ましくは１
００℃以上２００℃以下の温度に加熱保持して超微粒子
を加熱乾燥しながら、ガスと超微粒子を攪拌し、エアロ
ゾル化を行う。超微粒子が凝集する一つの要因である水
分を除去することによって、超微粒子の一次粒子もしく
はエアロゾル中で一次粒子となりやすい凝集粉がエアロ
ゾル化し、基板へ衝突することで膜上に欠陥部分をつく
ることを抑制でき、均一な膜の作製が可能であり、ま
た、膜の成長速度の速い成膜方法およびその装置を提供
することができる。

【０００９】エアロゾル形成室と基板への出口であるノ
ズルの間を繋ぐ搬送管をエアロゾル形成室からノズルま
で、直筒状に直結できる搬送管とする。搬送管に屈曲部
がなく、搬送管に導入されたエアロゾルが搬送管内を直
線状に通過できるため、搬送管の内壁への超微粒子が衝
突しにくく、内壁上に堆積が起こりにくい。さらには、
搬送管として内壁を電解研磨処理したステンレス製の金
属管もしくは石英管の内壁に凹凸がなく、硬い材質の管
を使用する。エアロゾルが搬送管内を通過するときに、
加速された超微粒子が搬送管の内壁に衝突した場合で
も、超微粒子は内壁上に密着しにくく、基板上まで到達
するエアロゾル中の微粒子の量を多くすることができ膜
の成長速度の速い成膜装置を提供することができる。ま
た、搬送管の内壁上に一時付着して凝集した超微粒子が
再びエアロゾル化することで、ノズルから噴出して膜上
に付着し、膜上に欠陥部分をつくることを抑制でき、均
一な膜の作製が可能な成膜装置を提供することができ
る。

【００１０】［１］ 本発明の超微粒子の成膜方法は、
超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを作製し、エアロ
ゾル中の超微粒子を基板上に衝突させることで基板上に
膜を成長させる成膜方法であって、エアロゾルを作製す
るエアロゾル形成室内に超音波を印加しながらエアロゾ
ルを作製することを特徴とする。

【００１１】［２］ 本発明他の超微粒子の成膜方法
は、超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを作製し、エ
アロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させることで基板
上に膜を成長させる成膜方法であって、エアロゾルを作
製するエアロゾル形成室に加熱源を設置して、エアロゾ
ル形成室内の超微粒子を加熱しながらエアロゾルを作製
することを特徴とする。ここで、超微粒子の加熱温度
は、６０℃以上２００℃以下、好ましくは８０℃以上且
つ２００℃以下、より望ましくは１００℃以上２００℃
以下とすることができる。超微粒子の凝集や搬送管内壁
への付着を長期にわたって十分に防ぐためには、前記加
熱源によりエアロゾルもしくはその中の超微粒子を１０
０℃以上且つ２００℃以下の温度に加熱することが望ま
しい。温度を高くすると超微粒子を乾燥させて凝集を防
ぐ効果は大きくなる。ただし、加熱温度が高いと超微粒
子を構成する成分の融解、蒸発による組成ずれが起こる
可能性があるため、加熱温度の上限を２００℃にするこ
とが望ましい。

【００１２】［３］ 上記［１］もしくは［２］に記載
の超微粒子の成膜方法であって、超微粒子をエアロゾル
形成室内に配置する前に、超微粒子を１００℃以上且つ
２００℃以下の温度で加熱乾燥しておくことを特徴とす
る成膜方法を用いることが望ましい。

【００１３】［４］ 本発明の超微粒子の成膜装置は、
超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを作製し、エアロ
ゾル中の超微粒子を基板上に衝突させることで基板上に
膜を成長させるための成膜装置であって、エアロゾルを
作製するエアロゾル形成室内に超音波を印加するための
超音波発生機を設置したことを特徴とする。

【００１４】［５］本発明の他の超微粒子の成膜装置
は、超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを作製し、エ
アロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させることで基板
上に膜を成長させるための成膜装置であって、エアロゾ
ルを作製するエアロゾル形成室に超微粒子を加熱するた
めの加熱源を設置したことを特徴とする。前記加熱源は
エアロゾルもしくはその中の超微粒子を１００℃以上且
つ２００℃以下の温度に加熱できることが望ましい。

【００１５】［６］ 上記［４］もしくは［５］に記載
の超微粒子の成膜装置であって、エアロゾルを作製する
エアロゾル形成室とノズルを繋ぎ、エアロゾルを搬送す
る搬送管を屈曲部のない直筒状の管としたことを特徴と
する超微粒子の成膜装置を用いると良い。

【００１６】［７］上記［６］に記載の超微粒子の成膜
装置であって、エアロゾルを搬送する搬送管の材質を内
壁を研磨した金属もしくは石英とする成膜装置を用いる
ことが望ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施例を
図面に従って説明する。ただし、これら実施例により本
発明が限定されるものではない。実施例１を説明する。
図１は、本発明の超微粒子の成膜装置１の構成図であ
る。空気を内蔵するガスボンベ１１は、ガス導入管１２
を介してエアロゾル形成室１３に連結され、さらに搬送
管１４を通じて成膜室１５内に長さ５ｍｍ×幅０．５ｍ
ｍの長方形の開口を持つノズル１６が設置される。可動
式の基板ホルダ１７にＰｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉの基
板１８がノズル１６に対向して配置される。成膜室１５
は排気ポンプ１９に接続している。基板１８は、Ｓｉ基
板上にＳｉＯ ₂膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜を順に積層したもの
である。

【００１８】図２は実施例１で使用されるエアロゾル形
成室１３の断面図である。エアロゾル形成室１３内に平
均一次粒子径が０．５μｍのジルコン酸チタン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）のセラミック超微粒子１３２を貯蔵している。ガ
ス導入管１３３がエアロゾル形成室１３上部より挿入さ
れ、その開口部はセラミック超微粒子１３２内に埋没し
ている。エアロゾル１３７を搬送するための搬送管１３
４がエアロゾル形成室１３上部より挿入されており、そ
の開口部はセラミック超微粒子１３２に接しない上部に
設置されている。また、超音波発生機１３５がエアロゾ
ル形成室１３に接続されている。さらに、エアロゾル形
成室１３には、機械的振動作用を与える振動器１３６が
接続される。エアロゾル形成室に貯蔵するセラミック超
微粒子は予め１５０℃の温度で加熱して乾燥させたもの
を使用した。

【００１９】以上の構成からなる超微粒子の成膜装置１
による成膜方法の作用を次に述べる。ガスボンベ１１を
開き、空気をガス導入管１３３からエアロゾル形成室１
３に導入し、また、振動器１３６により、エアロゾル形
成室１３に機械的振動を与えることでセラミック超微粒
子１３２がエアロゾル形成室１３内に巻き上げられ、エ
アロゾル１３７が発生する。エアロゾル１３７の状態と
なったセラミック超微粒子１３２は、エアロゾル形成室
１３上部の搬送管１３４の開口部より搬送管１３４内に
導入される。このとき、同時にエアロゾル形成室１３に
接続された超音波発生機１３５から超音波を発生させる
ことで、セラミック超微粒子１３２の凝集粉は超音波に
より解砕され、セラミック超微粒子１３２の一次粒子も
しくはエアロゾル１３７中で一次粒子へと解砕されやす
い凝集粉としてエアロゾル化する。このエアロゾル１３
７中のセラミック超微粒子１３２の一次粒子が搬送管１
４及びノズル１６を通過して基板１８へ衝突する。この
とき、基板ホルダ１７をノズル１６の開口部の幅方向に
約２０ｍｍ／分の速度で約１０ｍｍの距離を一往復させ
る。これにより、約１５μｍの厚さの緻密なＰＺＴのセ
ラミック膜（長さ５ｍｍ×幅１０ｍｍ）を短時間で基板
１８上に成膜することができた。また、生成したセラミ
ック膜は凝集粉の付着が少なく、欠陥部分が少ない。従
来のように、超音波発生機を使用しないで成膜した場
合、同じ成膜時間では１０μｍ以下の厚さとなり、生成
したセラミック膜には多くの欠陥が見られた。なお、図
２では、図１の構成をより詳細に説明するため、一部で
図１と異なる符号を用いて説明しているが、例えば、実
施例１では図１の搬送管１４と図２の搬送管１３４は同
じ部材である。

【００２０】他の実施例２を説明する。実施例２の超微
粒子の成膜装置１の全体の構成図は図１に示されるよう
に、実施例１と同様の構成となっている。実施例１とは
異なる細部を図３に示す。図３は実施例２で使用される
エアロゾル形成室２３の断面図である。エアロゾル形成
室２３内に平均一次粒子径が０．５μｍのジルコン酸チ
タン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミック超微粒子２３２を貯蔵
している。ガス導入管２３３がエアロゾル形成室２３上
部より挿入され、その開口部はセラミック超微粒子２３
２内に埋没している。エアロゾル２３７を搬送するため
の搬送管２３４がエアロゾル形成室２３上部より挿入さ
れており、その開口部はセラミック超微粒子２３２に接
しない上部に設置されている。エアロゾル形成室２３の
回りには加熱源として捲き付け型のヒーター２３８が取
り付けられている。さらに、エアロゾル形成室２３に
は、機械的振動作用を与える振動器２３６が接続され
る。

【００２１】以上の構成からなる超微粒子の成膜装置に
よる成膜方法の作用を次に述べる。ガスボンベ１１を開
き、空気をガス導入管２３３からエアロゾル形成室２３
に導入し、また、振動器２３６により、エアロゾル形成
室２３に機械的振動を与えることでセラミック超微粒子
２３２がエアロゾル形成室２３内に巻き上げられ、エア
ロゾル２３７が発生する。エアロゾル２３７の状態とな
ったセラミック超微粒子２３２は、エアロゾル形成室２
３上部の搬送管２３４の開口部より搬送管２３４内に導
入される。このとき、エアロゾル形成室２３に取り付け
られたヒーター２３８でエアロゾル形成室２３内を約１
５０℃に加熱しておく。セラミック超微粒子２３２中の
水分が取り除かれ、水分の架橋効果による凝集が起こり
にくく、セラミック超微粒子２３２は一次粒子もしくは
エアロゾル２３７中で一次粒子へと解砕されやすい凝集
粉としてエアロゾル化する。なお、セラミック超微粒子
２３２はエアロゾル形成室２３に貯蔵する前に、あらか
じめ１５０℃のオーブンで１時間加熱保持し、十分に吸
着水分を除去しておく。このエアロゾル２３７中のセラ
ミック超微粒子２３２の一次粒子が搬送管２３４（図１
では搬送管１４に相当）を通過して基板１８へ衝突す
る。このとき、基板ホルダ１７をノズル１６の開口部の
幅方向に約２０ｍｍ／分の速度で約１０ｍｍの距離を一
往復させることで、約１５μｍの厚さの緻密なＰＺＴの
セラミック膜（長さ５ｍｍ×幅１０ｍｍ）を短時間で基
板１８上に成膜することができた。また、生成したセラ
ミック膜は凝集粉の付着が少なく、欠陥部分が少ない。
従来のように、ヒーターを使用しないで成膜した場合、
同じ成膜時間では１０μｍ以下の厚さとなり、生成した
セラミック膜には多くの欠陥が見られた。なお、図３で
は、実施例２で用いる図１と同様の構成をより詳細に説
明するため、一部で図１と異なる符号を用いて説明して
いるが、例えば、実施例２では図１の搬送管１４と図３
の搬送管２３４は同じ部材である。

【００２２】実施例３を説明する。図４は、実施例３の
超微粒子の成膜装置３の構成図である。空気を内蔵する
ガスボンベ３１は、ガス導入管３２を介してエアロゾル
形成室３３に連結され、さらに搬送管３４を通じて成膜
室３５内に５ｍｍ×０．５ｍｍの長方形の開口を持つノ
ズル３６が設置される。ここで搬送管３４には内壁を電
解研磨処理したステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の内径
３．５５ｍｍ、外径６．３５ｍｍの屈曲部分のない直筒
状の管を使用した。可動式の基板ホルダ３７にＰｔ／Ｔ
ｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉの基板３８がノズル３６に対向して
配置される。成膜室３５は排気ポンプ３９に接続してい
る。

【００２３】以上の構成からなる超微粒子の成膜装置３
の作用を次に述べる。エアロゾル形成室３３には実施例
１および２と同様に超音波発生器およびヒーターが設置
されており、エアロゾル化を行うときに、エアロゾル形
成室３３に超音波を印加するとともに、エアロゾル形成
室３３内を約１５０℃に加熱保持し、超微粒子は一次粒
子もしくはエアロゾル中で一次粒子へと解砕されやすい
凝集粉としてエアロゾル化するようにしている。エアロ
ゾル形成室３３内で発生したエアロゾルが搬送管３４を
通過するときに搬送管３４に屈曲部分がないため、超微
粒子が搬送管３４の内壁に衝突しにくく、搬送管３４内
へ微粒子が付着し難い。また、内壁を電解研磨処理した
ステンレス製の搬送管３４を使用することで、内壁に凹
凸がなく、硬い材質であるため、エアロゾル中の超微粒
子が内壁に衝突した場合でも、内壁上に堆積し難い。そ
のため、ノズル３６から飛散して基板へ衝突する超微粒
子の量を多くすることができ、基板３８への膜の成長速
度を速くすることができた。また、搬送管３４の内壁へ
の超微粒子の付着が少ないため、成膜中に搬送管３４内
に堆積した微粒子が一度に放出され、凝集粉がノズルか
ら放出され、基板３８上に付着することが少なく、欠陥
部分の少ない均一なセラミック膜を生成できた。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
エアロゾル形成室内の超微粒子に超音波を印加する、も
しくは加熱することで超微粒子の凝集を抑制してエアロ
ゾル化を促進することができ、膜の成長速度を速くする
ことが可能であり、かつ基板に到達し付着する凝集粉の
量を減らし、欠陥部分の少ない均一な膜を生成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超微粒子の成膜装置を示す
構成図。

【図２】本発明の一実施例のエアロゾル形成室を示す断
面図。

【図３】本発明の一実施例のエアロゾル形成室を示す断
面図。

【図４】本発明の一実施例の超微粒子の成膜装置を示す
構成図。

【符号の説明】

１、３：超微粒子の成膜装置。 １１、３１：ガスボンベ。 １２、３２：ガス導入管。 １３、２３、３３：エアロゾル形成室。 １３２、２３２：セラミック超微粒子。 １３３、２３３：ガス導入管。 １４、３４、１３４、２３４：搬送管。 １３５：超音波発生機。 １３６、２３６：振動器。 １３７、２３７：エアロゾル。 ２３８：ヒーター。 １５、３５：成膜室。 １６、３６：ノズル。 １７、３７：基板ホルダ。 １８、３８：基板。 １９、３９：排気ポンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K044 AA13 AB01 BA11 BB01 BC14 CA23 CA62

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを
   作製し、エアロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させる
   ことで基板上に膜を成長させる成膜方法であって、エア
   ロゾルを作製するエアロゾル形成室内に超音波を印加し
   ながらエアロゾルを作製することを特徴とする超微粒子
   の成膜方法。
2. 【請求項２】 超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを
   作製し、エアロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させる
   ことで基板上に膜を成長させる成膜方法であって、エア
   ロゾルを作製するエアロゾル形成室に加熱源を設置し、
   エアロゾル形成室内の超微粒子を加熱しながらエアロゾ
   ルを作製することを特徴とする超微粒子の成膜方法。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは２に記載の超微粒子の
   成膜方法であって、超微粒子をエアロゾル形成室内に配
   置する前に、超微粒子を１００℃以上且つ２００℃以下
   の温度で加熱乾燥しておくことを特徴とする超微粒子の
   成膜方法。
4. 【請求項４】 超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを
   作製し、エアロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させる
   ことで基板上に膜を成長させるための成膜装置であっ
   て、エアロゾルを作製するエアロゾル形成室内に超音波
   を印加するための超音波発生機を設置したことを特徴と
   する超微粒子の成膜装置。
5. 【請求項５】 超微粒子をガスと攪拌してエアロゾルを
   作製し、エアロゾル中の超微粒子を基板上に衝突させる
   ことで基板上に膜を成長させるための成膜装置であっ
   て、エアロゾルを作製するエアロゾル形成室に超微粒子
   を加熱するための加熱源を設置したことを特徴とする超
   微粒子の成膜装置。
6. 【請求項６】 請求項４もしくは５に記載の超微粒子の
   成膜装置であって、エアロゾルを作製するエアロゾル形
   成室とノズルを繋ぎ、エアロゾルを搬送する搬送管を屈
   曲部のない直筒状の管としたことを特徴とする超微粒子
   の成膜装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の超微粒子の成膜装置で
   あって、エアロゾルを搬送する搬送管の材質を内壁を研
   磨した金属もしくは石英としたことを特徴とする超微粒
   子の成膜装置。